La producción de oro en el Universo...Síntesis de elementos en el Universo Alquimia nuclear 2 G....
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Gabriel Martínez-Pinedo Fundación Ramón Areces y Real Sociedad Española de Física 2 de octubre de 2019, Madrid La producción de oro en el Universo
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Gabriel Martínez-PinedoFundación Ramón Areces y Real Sociedad Española de Física
2 de octubre de 2019, Madrid
La producción de oro en el Universo
Síntesis de elementos en el Universo
Alquimia nuclear
2 G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo
Pieter Bruegel (el viejo): El alquimista
Astrofísica nuclear: estudia los
procesos nucleares responsables de
la producción de energía en el
universo y la síntesis de los elementos
Estrellas: hornos cósmicos
Estructura nuclear
GW170817:
una gran revelación del cosmos
Primera detección de ondas gravitatorias
procedentes de una colisión de estrellas
de neutronesPrimera observación de una kilonova
NASA and ESA.
N. Tanvir (U. Leicester), A. Levan (U. Warwick)and A. Fruchter and O. Fox (STScI)
Primera evidencia de la producción
de oro en el Universo.
Ondas espacio tiempo Ondas agua
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo3
Esquema
• Introducción a la nucleosíntesis
• Evolución estelar: formación de estrellas de
neutrones
• Sistemas binarios: emisión de ondas
gravitatorias
• Colisión de estrellas de neutrones:
• Nucleosíntesis de elementos pesados
• Señal electromagnética: kilonova
• Conclusiones
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo4
Abundancias Sistema solar
Procesos de captura de neutrones:
Proceso sProceso r
Fotosfera solar y meteoritos:
composición de la nube de gas donde se formó el Sol
Señales de estructura y estabilidad nuclear.
Contribuciones de diferentes procesos de nucleosíntesis
Big
ba
ng
Evolución estelar
y explosiones
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo5
Observaciones otras estrellas
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo6
Estrellas mas viejas tienen un menor contenido de metales
Metalicidad: Fe H = log Fe H estrella − log Fe H sol
Evolución con el tiempo
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo
La composición depende del momento en que se formo la estrella
7
[ Fe H]~ − 5
[ Fe H]~ − 3
Fe H ~ 0
Procesos de nucleosíntesis
Captura de neutrones
Desintegración beta
• Proceso s (slow):
captura de neutrones lenta.
Bajas densidades de
neutrones
• Proceso r (rapid):captura de neutrones
rápida. Altas densidades
de neutrones
• Ambos consisten de una
secuencia de captura de neutrones y
desintegraciones betaG. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo
Reacciones de fusión durante la evolución de las
estrellas producen elementos hasta el hierro
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captura de neutrones lenta
El proceso s
65Cu
66Zn 67Zn 68Zn 70Zn
69Ga 71Ga
70Ge 76Ge72Ge 74Ge73Ge
75As
74Se 80Se76Se 78Se77Se 82Se
79Br 81Br
78Kr 84Kr80Kr 82Kr 83Kr 86Kr
85Rb 87Rb
88Sr84Sr 86Sr 87Sr
89Y
92Zr90Zr 91Zr
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capa cerrada de neutrones
65Cu
66Zn 67Zn 68Zn 70Zn
69Ga 71Ga
70Ge 76Ge72Ge 74Ge73Ge
75As
74Se 80Se76Se 78Se77Se 82Se
79Br 81Br
78Kr 84Kr80Kr 82Kr 83Kr 86Kr
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88Sr84Sr 86Sr 87Sr
89Y
92Zr90Zr 91Zr
captura de neutrones lenta
El proceso sN=50
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captura de neutrones lenta
El proceso s
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66Zn 67Zn 68Zn 70Zn
69Ga 71Ga
70Ge 76Ge72Ge 74Ge73Ge
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N=50
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captura de neutrones lenta
El proceso s
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69Ga 71Ga
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captura de neutrones lenta
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captura de neutrones lenta
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captura de neutrones lenta
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captura de neutrones lenta
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El proceso r
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capa cerrada de neutrones
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rapid neutron capture
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rapid neutron capture
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capa cerrada de neutrones
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capa cerrada de neutrones
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capa cerrada de neutrones
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rapid neutron capture
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capa cerrada de neutrones
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capa cerrada de neutrones
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capa cerrada de neutrones
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rapid neutron capture
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capa cerrada de neutrones
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capa cerrada de neutrones
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τn << τβ- ~ 0.01 – 10 s
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65Cu
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/
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τn << τβ- ~ 0.01 – 10 s
The r-process
65Cu
66Zn 67Zn 68Zn 70Zn
69Ga 71Ga
70Ge 76Ge72Ge 74Ge73Ge
75As
70Se 80Se76Se 78Se77Se 82Se
79Br 81Br
78Kr 84Kr80Kr 82Kr 83Kr 86Kr
85Rb 87Rb
88Sr84Sr 86Sr 87Sr
89Y
92Zr90Zr 91Zr
rapid neutron capture
El proceso r
65Cu
66Zn 67Zn 68Zn 70Zn
69Ga 71Ga
70Ge 76Ge72Ge 74Ge73Ge
75As
74Se 80Se76Se 78Se77Se 82Se
79Br 81Br
78Kr 84Kr80Kr 82Kr 83Kr 86Kr
85Rb 87Rb
88Sr84Sr 86Sr 87Sr
89Y
92Zr90Zr 91Zr
N=50
capa cerrada de neutrones
capa cerrada de neutrones
rapid neutron capture
τn << τβ- ~ 0.01 – 10 s
The r-process
65Cu
66Zn 67Zn 68Zn 70Zn
69Ga 71Ga
70Ge 76Ge72Ge 74Ge73Ge
75As
70Se 80Se76Se 78Se77Se 82Se
79Br 81Br
78Kr 84Kr80Kr 82Kr 83Kr 86Kr
85Rb 87Rb
88Sr84Sr 86Sr 87Sr
89Y
92Zr90Zr 91Zr
rapid neutron capture
El proceso r
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66Zn 67Zn 68Zn 70Zn
69Ga 71Ga
70Ge 76Ge72Ge 74Ge73Ge
75As
74Se 80Se76Se 78Se77Se 82Se
79Br 81Br
78Kr 84Kr80Kr 82Kr 83Kr 86Kr
85Rb 87Rb
88Sr84Sr 86Sr 87Sr
89Y
92Zr90Zr 91Zr
N=50
capa cerrada de neutrones
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τn << τβ- ~ 0.01 – 10 s
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69Ga 71Ga
70Ge 76Ge72Ge 74Ge73Ge
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70Se 80Se76Se 78Se77Se 82Se
79Br 81Br
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85Rb 87Rb
88Sr84Sr 86Sr 87Sr
89Y
92Zr90Zr 91Zr
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69Ga 71Ga
70Ge 76Ge72Ge 74Ge73Ge
75As
74Se 80Se76Se 78Se77Se 82Se
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85Rb 87Rb
88Sr84Sr 86Sr 87Sr
89Y
92Zr90Zr 91Zr
N=50
capa cerrada de neutrones
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69Ga 71Ga
70Ge 76Ge72Ge 74Ge73Ge
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70Se 80Se76Se 78Se77Se 82Se
79Br 81Br
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88Sr84Sr 86Sr 87Sr
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92Zr90Zr 91Zr
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69Ga 71Ga
70Ge 76Ge72Ge 74Ge73Ge
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89Y
92Zr90Zr 91Zr
N=50
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69Ga 71Ga
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N=50
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69Ga 71Ga
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N=50
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69Ga 71Ga
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N=50
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69Ga 71Ga
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69Ga 71Ga
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92Zr90Zr 91Zr
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N=50
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N=50
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92Zr90Zr 91Zr
N=50
capa cerrada de neutrones
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τn << τβ- ~ 0.01 – 10 s
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69Ga 71Ga
70Ge 76Ge72Ge 74Ge73Ge
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70Se 80Se76Se 78Se77Se 82Se
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78Kr 84Kr80Kr 82Kr 83Kr 86Kr
85Rb 87Rb
88Sr84Sr 86Sr 87Sr
89Y
92Zr90Zr 91Zr
capa cerrada de neutrones
rapid neutron capture
El proceso r
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69Ga 71Ga
70Ge 76Ge72Ge 74Ge73Ge
75As
74Se 80Se76Se 78Se77Se 82Se
79Br 81Br
78Kr 84Kr80Kr 82Kr 83Kr 86Kr
85Rb 87Rb
88Sr84Sr 86Sr 87Sr
89Y
92Zr90Zr 91Zr
Nucleosynthesis processes
Los máximos de las abundancias
están relacionados con los
números mágicos
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo
Captura de neutrones
Desintegración
beta
50
El proceso r requiere grandes
cantidades de neutrones
Las estrellas de neutrones
constituyen una importante fuente de neutrones
Evolución estelar
Estrellas con masas
menores de 8 masas
solares queman
hidrogeno y helio y
terminas sus vidas como una enana blanca
Estrellas con masas
mayores de 8 masas
solares producen un
núcleo de hierro. El
colapso gravitatorio del núcleo produce una
estrella de neutrones y
eyecta el manto estelar.
Productos principales:
Carbono, Oxigeno y Hierro
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo51
Curva de luz:
evidencia de nucleosíntesis
Desintegración de 56Ni (𝑡1/2 = 6 d) y56Co (𝑡1/2 = 77 d) determina la
evolución
Supernova 1987A
Woosley & Weaver, Scientific American 261, 1989
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo52
Curva de luz:
evidencia de nucleosíntesis
Diehl & Timmes, PASP 110, 637 (1998)
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo53
Estrellas de neutrones
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo
Masa (M
asas s
ola
res)
Núcleo atómico: un centenar de neutrones y protones Estrella de neutrones: 1058 neutrones
No conocemos la masa máxima de
una estrella de neutrones.
No sabemos cual es el radio: importante para inferir la estructura
interna de la estrella.
Densidad nuclear 𝜌0 ~ 2.3 × 1014 g cm−3
54
Pulsares y sistemas binarios de
estrellas de neutrones
Las estrellas de neutrones tienen grandes campos
magnéticos que producen un haz de radiación en la
dirección del polo magnético.
Debido a la rotación de la estrella observamos un pulso
de radiación cada vez que el haz apunta hacia nosotros.
Pulsares fueron descubiertos en 1967 por Jocelyn Bell
and Anthony Hewish. Anthony Hewish ganó el premio
Nobel de Física en 1974.
El primer sistema binario con dos estrellas de
neutrones fue descubierto por Russel Hulse y Joseph
Taylor in 1974 (Premio Nobel de Física 1993)
Predicción de relatividad general: emisión de ondas
gravitatorias producirá una colisión de las estrellas en
~ mil millones de años
John Rowe Animation/Australia Telescope National Facility, CSIRO
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo55
Relatividad general y ondas
gravitatorias
Campos gravitatorios estáticos
corresponden en relatividad general a
una curvatura del espacio-tiempo.
Trayectoria mas corta para una masa de prueba es una orbita kepleriana.
Ondas espacio tiempo Ondas en el aguaPara masas que orbitan una a otra con
velocidad próxima a la de la luz, la
“información” del cambio del campo
gravitatorio se propaga hacia afuera
como radiación gravitatoria a la velocidad de la luz.
Produce una onda de espacio-tiempo
que se conoce como Onda
Gravitatoria.
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo56
Sistema binario de Hulse-Taylor
𝑃 = 7.752 horas
𝑚1 = 1.440 masas solares
𝑚2 = 1.389 masas solares
Periodo decrece 67 ns cada orbita
Cambio cumulativo esta de acuerdo
con la predicción de relatividad
general. Evidencia indirecta de
Ondas Gravitatorias (Russel Hulse and Joseph Taylor, premio nobe lde
Física en 1993)
Colisión en 6000 Millones de años Weisberg & Huang, ApJ 829, 55 (2016)
La emisión de ondas gravitatorias produce un decaimiento del periodo
(incremento de la frecuencia orbital)
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo57
Frecuencia de ondas gravitatorias
Grandes distancias
~ masas puntuales
Distancias cortas,
efectos de marea:
estructura interna
estrellas
La onda gravitatoria, ℎ, está caracterizada por una frecuencia
𝑓 = 2𝑓𝑜𝑟𝑏 = 2 𝑃 , ℎ ~ sin(2𝜋𝑓𝑡 + 𝜙)
Para estrellas punctuates (distancia mayor que el radio)
𝑓− 8 3 =8𝜋 8 3
5
𝐺ℳ
𝑐3
5 3(𝑡𝑐 − 𝑡),
Frecuencia aumenta conforme las estrellas se aproximan
Una orbita
~ sin(2𝜋𝑓𝑡 + 𝜙)
Chirp mass: ℳ =𝑚1𝑚2
3/5
𝑚1+𝑚21/5
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo58
Eyección de materia durante la
colisión
Dos fuentes de eyección:
• Dinámico: durante las fases iniciales de la colisión (milisegundos)
• Disco de acreción: época posterior (100-1000 milisegundos)
Propiedades de la materia eyectada dependen del objeto central
(estrella de neutrones o agujero negro). Afecta la emisión de neutrinosG. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo59
Proceso r en la materia eyectada
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo
Materia eyectada contiene gran cantidad de neutrones
Decaimiento radioactivo produce energía
60
Influencia del objeto central
Después de la colisión se forma una estrella de neutrones hipermasiva que es
estable debido a rotación antes de colapsar a un agujero negro.
Grandes flujos de neutrinos reducen la
razón entre neutrones y protones.
𝜈𝑒 + 𝑛 → 𝑝 + 𝑒−
𝜈𝑒 + 𝑝 → 𝑛 + 𝑒+
Una vez que la
estrella colapsa a un
agujero negro la
emisión de neutrinos
cesa y la razón entre
neutrones y protones
aumenta.
Absence of Lanthanides Presence of Lanthanides
Martin, et al, ApJ 813, 2 (2015) Wu et al, MNRAS 463, 2323 (2016)
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo61
Producción de energía por el
proceso r
La desintegración de los productos del proceso r produce energía:
𝜀~𝑡−1.3.Muchos núcleos decayendo al mismo tiempo.
Supernova 56Ni
Producirá una señal electromagnética (luz) cuyas propiedades dependen :
Cantidad de energía producida.
Eficiencia con que la energía es absorbida (termalización)
Opacidad del gas (depende de la composición, Lantánidos y Actínidos)
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo62
Impact of opacity
Inicialmente material es
opaco a los fotones
transparente
Transición de opaco a transparente depende de la probabilidad de interacción de los fotones
(opacidad). Depende de la estructura de los átomos, presencia de Lantánidos/Actínidos.
Opacidad baja: emisión temprana debida a materia bastante caliente (longitudes de onda
corta, azul)
Opacidad alta: emisión tardía debida a materia más fría (longitudes de onda larga, rojo)
Temperatura
y densidad
decrecen
Fígura de M. Tanaka
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo63
Kilonova: señal electromagnética del
proceso r
Prediction
Metzger, GMP+, MNRAS 406, 2650 (2010)
Luminosidad equivalente a 1000 novas (kilonova) en escalas de tiempos de días.
Depende de la cantidad de materia eyectada, velocidad y composición.
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo64
GW170817
Ondas gravitatorias
Más de mil orbitas observadas
https://youtu.be/WoDCPTLgxh4
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo65
GW170817: primera detección de
ondas gravitatorias colisión estrellas de neutrones
El 17 agosto 2017, 12:41:04 UTC LIGO y Virgo detectaron la primera
señal gravitatoria de una colisión de estrellas de neutrones
Abbott, et al, PRL 119, 161101 (2017).
Incremento de frecuencia determinado por la masa chirp ℳ =𝑚1𝑚2
3/5
𝑚1+𝑚21/5
= 1.188−0.002+0.004M⊙
Masa total: 𝑀 = 2.74−0.01+0.04M⊙
masa primaria: 𝑚1 ∈ 1.36−1.60 M⊙masa secundaria: 𝑚2 ∈ 1.17−1.36 M⊙Distancia: 40−14
+8 Mpc (130 millones de años luz)
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo
Radio: 8.9-13.2 km
De et al, PRL 121, 091102 (2018)
66
Kilonova identificada
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo
La kilonova fue observada 10.9 horas después en la galaxia NGC 4993
(constelación de Hidra, hemisferio sur). Denominada AT 2017 gfo
67
Curva de luz y espectro
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo
ESO/E. Pian/S. Smartt & ePESSTO/N. Tanvir/VIN-ROUGE, Pian et al, Nature 551, 67, 2017
https://youtu.be/kZiCKULA2cE
68
Kilonova: señal electromagnética
debida al proceso r
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo
Evolución temporal determinada por la desintegración nuclear.
Dos componentes:
Azul dominada por elementos ligeros (Z < 50)
Roja debida a la presencia de lantánidos (Z = 57-71) y/o Actínidos (Z = 89-103)
Producción de elementos pesados incluyendo Oro, Platino y Uranio
Metzger, GMP, …, AA et al, 2010
predictions
Cowperthwaite, et al 2017
Kilonova observations
69
GW170817: sumario observaciones
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo
NS NS
HMNS
BH
Red KNdisk winds
light r-nuclei
heavyr-nuclei v ~ 0.1 c
v ~ 0.25 c
t ~ day
t ~ week
Blue KN
0.02 M⊙
0.04 M⊙
Figura de B. Metzger
Detección ondas gravitatorias procedentes
de la colisión de estrellas de neutrones
Material eyectado en la región polar sujeto
a grandes flujos de neutrinos. Producción
de núcleos ligeros por el proceso r y
emisión azul.
Estrella de neutrones colapsa a un agujero
negro en unos pocos 100 ms. Masa
máxima de una estrella de neutrones ~ 2.2
masas solares.
Emisión de neutrinos disminuye.
Producción elementos pesados por el
proceso r (Lantánidos y Actínidos, emisión
roja).
Alrededor de 0.06 masas solares
eyectadas incluyendo (asumiendo
proporciones solares):
10 masas terrestres de Oro
50 masas terrestres de Platino.
5 masas terrestres de Uranio
70
Observador
Qué esperar en el futuro?
Observación colisión de una estrella de neutrones y un
agujero negro
Señal gravitatoria posterior a la colisión. Información
sobre la ecuación de estado, masa máxima de una
estrella de neutrones y la formación de un agujero
negro.
Observaciones de kilonova: variabilidad dependiendo
del punto de observación. Evidencia directa de la
producción de elementos particulares.
Mejorar nuestro conocimiento de las propiedades de
núcleos ricos en neutrones: nuevas instalaciones
experimentales FAIR
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo71
Facility for Antiproton and Iron
Research (FAIR)
72 G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo
FAIR – Un nuevo complejo de
aceleradores
73
Ring accelerator SIS100
Production of new exotic nuclei
Production of antiprotons
Collector
ring CR
Antiproton
ringHESR
Linear accelerator
RingacceleratorSIS18
100
meters
Existing facility
Planned facility
Experiments
ESR
CRYRING
“Ganancias” relativas a GSI• 100 – 10.000 x intensidad• 10 x energía• Haces de antiprotones
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo
FAIR gobernada por una convención internacional
• 9 miembros + 1 asociado (naranja)
Involucra a científicos de todo el mundo
• Mas de 200 instituciones de 53 países (naranja y azul)
Participación internacional en FAIR
G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo74
75 G. Martínez-Pinedo / La producción de oro en el universo
FAIR 2025
¡Gracias!
